十、      牛顿力学赖以成立的“绝对空间”是可以找到的

牛顿力学常遭诟病，爱因斯坦指出：“全部经典力学就等于悬在半空中，因为我们不知道它属于哪个坐标系”^[31]，“我们有定律，但是不知它们归属于哪一个框架，因此整个物理学都好像是筑在沙堆上一样”^[32]。

“牛顿作为公理提出的三大运动定律必须在一个特定的……‘绝对惯性系’中才能成立。第一定律指出，物体具有保持静止或匀速直线运动状态的惯性，问题是怎样判定‘静止’？怎样判定‘匀速直线运动’？显然，在实际测量过程中离开一个特定的参考系是无法回答这些问题的。”^[33]

“然而，牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性参考系。牛顿完全了解自己理论中的这一薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态。”^[34]

请特别注意，牛顿这里的“绝对空间”是指可以用来判定物体运动状态的特定参考系，也就是牛顿力学赖以成立的“绝对惯性系”。

为了能感知自己引入的“绝对空间”，牛顿设计了一个著名的“水桶实验”：绳子上吊有一桶水，让桶做旋转运动。开始时水未被桶壁带动，桶转水不转，水面是一个平面。不久，水逐渐被桶壁带动而旋转，直到与桶以同样的角速度旋转，此时水面呈凹形。然后，让桶突然停转，水面仍保持凹形。

牛顿认为：“水面的形状与水和桶的相对转动无关。水面呈凹形是由于受到惯性离心力的结果。惯性离心力的出现……与绝对空间有关，惯性离心力产生于水对绝对空间的转动。……通过水桶实验，牛顿论证了绝对空间的存在。”^[35]

然而，“绝对空间”在哪里呢？谁也不知道。“对此，牛顿自己和他同时代的最有批判眼光的人都是感到不安的。”^[36]

牛顿的“绝对空间”观点受到莱布尼茨、贝克莱、马赫等人的批评，马赫认为根本就不存在绝对空间。爱因斯坦则认为，“牛顿引入绝对空间，对于建立他的力学体系是必要的”，“人们要想给力学以清晰的意义，在当时没有别的办法。”^[36]

可见“绝对空间”对牛顿力学至关重要，是必须的，不可或缺的。“绝对空间”就是牛顿力学赖以成立的“绝对惯性系”。

我们怎能容忍牛顿力学因为一时找不到“绝对空间”而成为“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说呢？牛顿力学得到了物理实验和天文观测的广泛支持，其惊人成功和巨大贡献是众所周知的，而且，至今仍在人们的生产、科学技术和生活中继续起着重要作用。即使在广义相对论如日中天的宇宙学领域，著名的理论物理学家霍金也承认，“我们在大部分实际情况下仍用牛顿理论，因为在我们通常处理的情形下，两者差别非常小。（牛顿理论的另一个巨大的优点在于，它比爱因斯坦理论容易处理得多！）”^[37] 所以，我们应该继续全力寻找已被牛顿论证了的应该存在的“绝对空间”。

笔者认为，牛顿为这个特定参考系选取了一个特别不好的名称，非常容易让人产生误解，误以为“绝对空间”就是空无一物的虚空。不过，我们必须谅解牛顿，在他那个年代，这个特定参考系只能是“空无一物”。

但是如今，电磁场、引力场这一类非分子原子构成的、无形的特殊物质，就和我们“所坐的椅子一样的实在”（爱因斯坦语），我们寻找“绝对空间”应该比牛顿有更广阔的视野。

既然我们在电磁学中假设了“引力场就是以太”，而且非常成功，那么我们不妨在力学中假设：“引力场就是绝对空间”，“引力场就是绝对惯性系”。

有了“引力场就是绝对空间”的假设，牛顿水桶实验中水面凹下的原因当然是水相对于引力场的转动，惯性离心力当然是产生于水相对于引力场的转动。

马赫否定牛顿“绝对空间”的理由是：“不存在绝对空间。转动不是绝对的，而是相对的。产生惯性离心力是水相对于全宇宙物质（遥远星系）转动的结果，……惯性起源于全宇宙所有物质施加的综合影响。”^[38] 那么，马赫的“全宇宙物质”是通过什么作用于水的呢？难道不就是“引力场”吗？水桶周边的这个引力场难道不就是全宇宙物质所产生的引力场叠加而成的吗？“水对绝对空间的转动”难道不就是水对引力场的转动吗？牛顿只不过是一时说不出这个“绝对空间”究竟是什么罢了。马赫与牛顿的观点有什么本质区别呢？当然没有。

我们先前已经看到，引力场让光的传播有了一个可靠的绝对参考系，驱散了物理学上空的一朵乌云。现在，引力场又把牛顿和马赫对于“水桶实验”的不同观点协调、统一起来了，让牛顿力学也有了一个可靠的绝对参考系，牛顿力学再也不是“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说了。若牛顿地下有灵，一定会感到欣慰。

麦克斯韦电磁理论和牛顿力学居然会很奇妙地拥有同一个绝对参考系——引力场，这真是太和谐了。这可能就是本假设能够成立的好兆头。

如此，不仅电磁理论有了绝对参考系，连牛顿力学也有了绝对参考系（绝对惯性系），“绝对惯性系”与其他“惯性系”不再是平权的了。这意味着，相对性原理不仅仅不适用于电磁理论，也不适用于牛顿力学，相对性原理必须在电磁理论和牛顿力学中都舍弃。

对于如此的“浅薄”，大家一定不屑一顾。然而，舍弃相对性原理的理由确实是存在的。

十一、   相对性原理与客观事实严重不符，必须舍弃

爱因斯坦把伽利略相对性原理推广为狭义相对性原理：“如果K是惯性系，则相对于K作匀速运动而无转动的其他坐标系K’也是惯性系；自然界定律对于所有惯性系都是一致的。”^[39] 并把此原理作为狭义相对论的两条基本原理之一。

爱因斯坦还进一步指出：“假使两个坐标系相对转动，那么力学定律不能在两者之中都有效。”^[40] 接着又指出：“假使有两个坐标系，相互作不等速运动，则力学定律不会在两者之中都是有效的。‘好的’坐标系就是力学定律在其中有效的坐标系，称为惯性系。”^[40]

然而，相对性原理与客观事实严重不符。

事实1、月球惯性系相对于地球惯性系，是转动的：

首先，我们必须承认，力学定律在固定于地球的坐标系中是非常有效的，地球应该是一个惯性系。尽管有实验证明，地球不是一个十分精确的惯性系，但是，“只有在测量精度达到百万分之一时，我们才需要认真考虑与地球连在一起的参考系的加速性质。对于几乎所有的实际目的来说，地球都是一个足够好的惯性系。”^[41] 毕竟，伽利略、牛顿等科学家，正是在地球实验室中，凭借几代人的大量观测和实验，进而归纳、总结出力学定律的。更关键的是，在狭义相对论中处于核心地位的，普适于所有惯性系的光速c，也是在地球上测得的。能说地球不是一个惯性系吗？

其次，我们知道，符合牛顿定律和麦克斯韦方程的月球车及各种电子仪器在月球上工作都非常正常，至今未发现月球上出现违背牛顿定律的怪事。显然，月球也是一个惯性系。

既然地球和月球都是惯性系，那么依据相对性原理，它们应该相互作匀速直线运动，然而，不幸的是，月球是绕着地球转动的。

即使说地球和月球都算不上十分精确的惯性系，相互不一定作严格的匀速直线运动，但误差也不至于可以扩大到转动！

事实2、地球惯性系相对于太阳惯性系，是转动的：

爱因斯坦承认：“经典力学对天体的实际运动的描述，所达到的精确度简直是惊人的。”^[42] “关联于太阳的坐标系比关联于地球的坐标系更像一个惯性系”^[43]。可见，地球坐标系是一个惯性系，而太阳坐标系更是一个精度好于地球的惯性系。遗憾的是，地球是绕着太阳转动的，难道我们能依据相对性原理来否定“太阳和地球都是惯性系”吗？

事实3、自由降落升降机相对于地面惯性系，是加速运动的：

我们都很熟悉爱因斯坦在广义相对论中论述等效原理时所提及的那个自由降落的升降机，爱因斯坦确认该升降机是一个惯性系（牛顿定律在升降机内和在地面上一样有效）。请问，自由降落升降机相对于地面惯性系，难道是在作匀速直线运动吗？！

上述三个客观事实，都直接否定了相对性原理，我们没有理由不舍弃相对性原理。

那么，我们应怎样看待伽利略相对性原理和伽利略变换呢？其实也简单：

伽利略提出相对性原理的依据，主要就是在萨尔维亚蒂的大船里所做的那些简陋实验^[44] ，这些实验，完全凭人体的感官来进行判断，毫无精度可言，远远不足以成为原理。

根据笔者先前的假设，本征引力场才是牛顿力学赖以成立的“绝对惯性系”，那些处在本征引力场中，并相对于本征引力场作“匀速直线运动”的坐标系，比如，萨尔维亚蒂的大船，都只是近似惯性系，它们与绝对惯性系并不等价，并不平权。在这些近似惯性系中，力学定律不是严格成立的，“大船”的速度越高，对牛顿力学的偏离将越大。

而伽利略变换则是伽利略相对性原理的数学表达式，也是这些近似惯性系之间的一种近似坐标变换方法，不失为一种很实用的变换方法，仅此而已。

有人说，地球、太阳、月球、自由降落的升降机都不是真正的惯性系，因为它们都受到引力的作用。刘辽先生指出，“站在某一个惯性系上观测，另外的惯性系（或者自由质点）做匀速直线运动。……只有当某一质点离开其他物体非常遥远时，它才有资格充当惯性系。”^[45] 所以不能根据这些假的惯性系来否定相对性原理。

这一说法显然是受到了广义相对论中惯性系定义的误导：

“在牛顿理论中，惯性系被定义为相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系。”^[46] 或者说“惯性定律在其中成立的参考系称为惯性系”^[47]，两种定义都很明确。

而在狭义相对论中，绝对空间被否认，前一个定义不再有效，后一个定义又被错误地认为存在逻辑循环^[48]，所以在狭义相对论中，尽管“整个理论都建立在惯性系的基础上，但是我们却无法定义或找到一个惯性系。”^[49] 这真是匪夷所思。

“在广义相对论中，就把‘在无引力场太空中静止或做匀速直线运动的参考系’和‘在引力场中自由下落且无自转的无穷小参考系’定义为惯性系”^[50]。然而，这两种惯性系的定义显然都是错误的：1、能找到无引力场的太空吗？绝不可能！即使“某一质点离开其他物体非常遥远”，也只不过是受到的引力微弱一点罢了，并不是无引力；2、若果真找到了无引力场的太空，那里就不可能存在任何参照物，请问如何判定参考系是静止或做匀速直线运动呢？3、在无穷小参考系内能建立什么坐标系呢？在无穷小参考系内，物体的位移只能永远是无穷小，会有什么运动发生呢？

唯有根据广义相对论这种错误的惯性系定义，才能否定“地球、太阳、月球、自由降落的升降机都不是真正的惯性系”，那么，我们自然不能认可这样的否定！

毫无疑问，地球、太阳、月球、自由降落的升降机这些坐标系就是惯性系（尽管不够精确），它们之间相互并不是作匀速直线运动的事实，确实能直接否定相对性原理。

十二、   为什么地球、月球、太阳这些相互非匀速直线运动的天体都是惯性系

首先，事实已证明地球是一个足够好的惯性系，那么，我们是否可以由地球是惯性系，而推断宇宙中类似的一般天体，如月球、太阳、火星、木星、木卫、北极星等等，也都是惯性系呢？回答是肯定的。如若不然，则意味着地球是宇宙中优越的天体，然而，地球的这种优越性早在500年之前就被哥白尼剥夺了。地球只是一颗很普通的天体，能在地球上成立的力学定律，更普遍地说是物理学定律，没有理由在其他类似天体上不成立。上一章所列举的客观事实（月球、太阳都是惯性系）已经证明这个推断是不错的。

上述“月球、太阳、火星……这些天体都是惯性系”这一推断，与笔者先前的“引力场就是绝对惯性系”假设非常吻合，相互印证。根据这一假设，在各天体各自的本征引力场中，也就是在各自的绝对惯性系中，牛顿力学当然是有效的，这些天体当然是惯性系。这与天体本身如何运动，天体之间相互如何运动都毫无关系。

笔者认为，对于物理学定律来说，各天体的本征引力场，也就是各天体的“绝对惯性系”，才是真正等价、平权的。但是，这些绝对惯性系之间的变换，既不能用伽利略变换，也不能用洛伦兹变换。

十三、   用引力场就是绝对惯性系的假设，可以自然地解答一些悬疑问题

1、为什么在飞行姿态如此复杂多变、速度如此惊人的地球上，牛顿定律竟然能被发现？

这是因为无论地球如何运动，地球的本征引力场（绝对惯性系）是随地球而动的，在地球的绝对惯性系中，牛顿力学当然是有效的。可以料定，如果其他天体上住有比我们人类更高等的动物，他们一定早就发现了和牛顿定律一样的力学定律，尽管他们所住的天体对地球并不是作匀速直线运动。

（刘辽等三位先生所著的《狭义相对论》第二版第3页上，对此问题也有一个解释，好像比较牵强。感兴趣的读者不妨找来一读，做个比较。）

2、为什么对于行星运动的描述，太阳坐标系比地球坐标系要好得多？

这也很简单，因为惯性系都是局域的，力学定律只有在各天体自己的本征引力场内才有效，行星并不在地球本征引力场内，而是在太阳本征引力场内，只有参照太阳坐标系，行星的运动才遵循牛顿定律，对于行星运动的描述，当然用太阳坐标系比地球坐标系要好得多。而地面物体的运动以及月球的运动，是在地球本征引力场内，当然参照地球坐标系最好。

3、究竟是否存在一个真正的惯性系？

过去认为，由于地球有自转，同时还绕着太阳公转，太阳又绕着银河系的中心公转……，真正的静止或匀速直线运动根本不存在，所以人们似乎无法找到一个真正的惯性系。

其实，惯性系与其本身怎样运动无关，地球惯性系就是一个很好的例子。地球上的“绝对惯性系”就是地球的本征引力场，而地球自转不能带动本征引力场，所以固定在地面上的坐标系不是一个严格精确的惯性系。可以认为：固定在“停止了自转的地球”上的坐标系才是一个绝对精确的、真正的惯性系！这样的坐标系还存在惯性离心力和科里奥力吗？应该找不到有什么实验能证明它不是一个十分精确的惯性系。

月球大约每27.32天自转一周，比地球每天自转一周慢多了，月球应该是比地球更精确的惯性系。相信将来会有实验证明这个预言。

4、为什么自由降落的升降机也是一个惯性系？

这是因为，地球本征引力场对升降机的引力，已完全用来产生了升降机的自由落体运动，可以认为这一引力已消耗殆尽，所以，自由降落升降机的本征引力场，主要是由升降机本身的质量产生的。升降机内的物体，在升降机的本征引力场内运动，也就是在升降机的绝对惯性系内运动，当然遵循牛顿定律。

这个道理也可以用来解释“地球为什么是一个惯性系”：太阳本征引力场对地球的引力，已完全用来产生了地球的绕日飞行运动，可以认为这一引力已消耗殆尽，所以，地球的本征引力场，主要是由地球本身的质量产生的。地球上的物体，在地球的本征引力场内运动，也就是在地球的绝对惯性系内运动，当然遵循牛顿定律。

不仅仅自由降落的升降机、地球、月球，……是惯性系，一切自由飞行的天体（包括人造的），都是惯性系，自转速度越慢，越精确。

这些悬疑能得到如此自然、简明、圆满的解答，也从另一方面印证了“引力场就是绝对惯性系”的假设是能够成立的。

既然“引力场就是绝对惯性系”，“惯性运动”自然是物体相对于引力场而言的，其运动状态应该与引力场的分布有关。而我们知道，引力场是不均匀的，那么为什么惯性运动必然是直线的呢？

十四、   牛顿第一定律必须修正

牛顿是在继承了伽利略和笛卡尔惯性原理的基础上，进一步明确提出惯性定律，并在《原理》中把惯性定律作为运动第一定律正式提了出的：“每个物体都保持其静止或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。”^[51]

“在这个定律中，牛顿改变了伽利略提出的‘物体会沿着水平方向永不停止地一直运动下去’的惯性运动的表述，明确提出，惯性运动是匀速直线运动而不是水平运动。” ^[52]

牛顿对这一改变并未给出什么理由。而笔者认为，这一改变是不恰当的。在一般情况下，惯性运动就应该如伽利略所说的那样，是水平运动而不是直线运动。何以见得呢？

既然惯性运动是物体相对于引力场而言的，那么，惯性运动的状态就应该与引力场的分布有关。在地球本征引力场中，水平面就是一个等势面，物体在只受到平衡力的情况下，只能是保持静止，或沿等势面匀速运动，唯有这样才符合机械能守恒定律。

仅仅在匀强引力场中，才可能出现真正直线的惯性运动，所以，地面的惯性运动都是近似的直线运动，只不过近似的程度很高罢了。

那么，非直线的惯性运动有没有实例呢？当然有：

伽利略早就指出：“地球的惯性运动是圆周运动，而且由于重力会使一个物体趋向它的中心（它绕之而运行的点），这样的物体实际保持的状态或惯性状态也是圆周运动。因此，伽利略的惯性原理，与笛卡尔的惯性原理或牛顿的惯性原理不同，必须把它称作为‘圆周惯性’原理”。^[53]

综上所述，笔者认为，牛顿第一定律应加以修正。修正后的牛顿第一定律如下：

“相对于其所处的引力场，每个物体都保持其静止或按原方向并沿等势面作等速运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。”

注意，这个修正包含了两个方面：1、明确了惯性定律的参考系是物体所处的引力场，而不同于原先那样没有明示；2、明确了惯性运动是静止或“按原方向并沿等势面作等速运动”，而不一定是匀速直线运动。

这是牛顿力学在找到了绝对惯性系之后，应有的合理修正。

根据修正后的牛顿第一定律，我们就可以给“惯性”下个贴切的定义了：相对于其所处的引力场，每个物体，都具有保持静止或按原方向并沿等势面作等速运动的状态不变的特性，该特性称为惯性。简言之，惯性就是物体相对于其所处的引力场的惰性。我们不妨把此定义叫做新惯性定义。

根据新惯性定义，我们可以解答下列两个重要悬疑问题：

1、惯性力的起源究竟是什么？

这是一个至今尚未解决的物理学基本问题。

牛顿认为，“加速运动是绝对的，只有相对于绝对空间的加速才是真加速，才会受到惯性力！”^[54] 而马赫反对绝对空间的存在，认为“惯性力起源于物质间的相互作用，起源于受力物体相对于遥远星系的加速运动，而且与引力有着相同或相近的物理根源。”^[54] 他俩的观点表面看来是对立的。然而，根据引力场就是绝对空间的假设，牛顿的绝对空间就是引力场，而马赫所指的遥远星系正是通过引力场与受力物体产生相互作用的，他俩的观点本质是一致的。根据新惯性定义，我们就可以更明确地回答这个问题，惯性力的起源就是物体相对于引力场的加速运动。这与牛顿和马赫的观点都是相容的。

2、引力质量和惯性质量究竟是不是同一个东西？

至今，人们还仅仅是猜测引力质量和惯性质量可能是同一个东西。

牛顿认为质量是物质的量，它反映物体产生和接受引力的能力，我们把用万有引力效应（F=GMm/r²）来定义的质量称为引力质量；牛顿又认为质量与物体的惯性成正比，也就是说质量还可以看成物体惯性的量度，我们把用惯性的动力学效应（F=ma）来定义的质量称为惯性质量。“在牛顿力学中，这两种定义并无内在联系。”^[55] 然而，根据新惯性定义，惯性就是物体相对于其所处的引力场的惰性，其根源当然是万有引力，引力质量和惯性质量怎么会没有内在联系呢？且引力质量和惯性质量的相等，已得到了许多高精度实验的支持，所以我们可以肯定地说，引力质量和惯性质量就是同一个东西。

十五、   总论

进攻狭义相对论，突破点是“爱因斯坦校钟法”。

爱因斯坦校钟法是相对时空观的病根，一旦我们容忍了这一含有逻辑循环的校钟法，我们就会误登爱因斯坦火车，就不得不接受同时的相对性。

爱因斯坦校钟法也是“光速各向同性”用以躲避实验验证的防空洞。若否定了爱因斯坦校钟法，认可了中垂线校钟法，单向光速就不再是不可测的，就不能把“光速各向同性”说成是一个“约定”，从而躲避实验的验证。在真实的、高精度的单向光速数据出来之前，凭什么把“光速不变假设”升格为基本原理呢？！

本文中，我们已经清楚地看到，中垂线校钟法比爱因斯坦校钟法省去了一个可疑的前提条件，完全不含逻辑循环，不容置疑地击败了爱因斯坦校钟法，难道我们还要死抱着爱因斯坦校钟法不放吗？

进攻狭义相对论，成败关键则是“相对性原理”。

因为，我们目前还只能说“光速不变原理”靠不住，因为实验技术原因，我们还拿不出真实的、高精度的单向光速的数据。所以，目前要想彻底否定狭义相对论，关键是要否定“相对性原理”。

伽利略大船上的实验让我们很自然地接受了相对性原理，然而，“地球绕太阳转动”，“自由降落的升降机加速落向地面”，这些铁一样的事实，让笔者顿悟，真正的惯性系之间并非匀速直线运动，伽利略大船并非真正的惯性系，真正惯性系之间的变换既不能用伽利略变换，也不能用洛伦兹变换，我们没有一丝理由坚持相对性原理。

“同时的相对性”被否定，“光速不变原理”靠不住，“相对性原理”不成立，狭义相对论哪有不倒之理？！

进攻狭义相对论，并不是要完全倒退回牛顿力学理论中去。

牛顿力学理论中确实存在悬疑问题，其本身必需完善和提升。

“引力场就是绝对空间”的假设，把牛顿和马赫对“水桶实验”的不同观点协调、统一起来了。

然而根据这一假设，“惯性运动”自然是物体相对于引力场而言的，其运动状态应该与引力场的分布有关，为什么非得是直线呢？

凭着这一丝线索，笔者大胆地对牛顿第一定律进行了修正，不仅让惯性运动从此符合了机械能守恒定律，而且给出了令人满意的新惯性定义。

根据新惯性定义，笔者轻松地回答了两个至今尚未解决的物理学基本问题：1、惯性力的起源就是物体相对于引力场的加速运动；2、引力质量和惯性质量就是同一个东西。在这里笔者进一步猜测：均匀平直的惯性场是不存在的，惯性场其实就是引力场，而不仅仅是等效的问题。

但愿对牛顿第一定律的修正，能为物理学的革命撕开一个口子。

欢迎拍砖，更期待增援和掌声。

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[54] 赵峥，相对论百问，北京师范大学出版社，2010，46。

[55] 赵峥、刘文彪，广义相对论基础，清华大学出版社，2012，12。

作者：上海金标软件有限公司，费邦镜，发表日期：2013/10/19 

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